一种半导体气相外延用石英喷嘴及其制备和使用方法技术

一种半导体气相外延用石英喷嘴及其制备和使用方法，所属半导体气相外延技术领域，喷嘴为同心圆三环通道喷嘴，从内至外依次为内通道

【技术实现步骤摘要】
一种半导体气相外延用石英喷嘴及其制备和使用方法


[0001]本专利技术属于半导体气相外延
，具体涉及一种半导体气相外延用石英喷嘴及其制备和使用方法
。

技术介绍

[0002]硅半导体分立元器件和集成电路制造都需要采用外延生长技术，使半导体器件和集成电路达到各种各样的功能
。
硅外延生长方法，又可分为气相外延
、
液相外延
、
固相外延
。
其中，气相外延的优点是外延生长温度高，生长时间长，所以能够制造较厚的外延层；在外延过程中能够任意改变杂质的浓度和导电类型；因此，气相外延方法能够满足晶体的完整性
、
均匀性
、
器件结构的多样化等要求，被广泛应用
。
[0003]气相硅外延生长是在高温下使挥发性强的硅源与氢气，在气相状态下发生反应或热解，生成硅原子淀积在硅衬底上生长成外延层
。
通常使用的硅源是
SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和
SiCl4。SiHCl3和
SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但生长速度快，易提纯，使用安全；
SiH2Cl2在常温下是气体，具有淀积温度低，沉积速度快，淀积成膜均匀等优点
。SiH4也是气体，具有反应温度低，无腐蚀性气体，能够得到杂质分布陡峭的外延层；缺点是
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末状硅使外延无法进行
。
气相外延是在外延生长反应炉中进行，需要对温度
、
气流
、
杂质进行精密控制
。
因此，气相外延技术中气体喷射也决定了外延的质量好坏，主要体现在喷嘴用于各种气体的传输和隔离，以及喷嘴结构喷出气体的流速
、
流场分布
、
各气体混合均匀性和各气体混合浓度等都对外延效果有着很大的影响
。
[0004]另外，气相外延技术对硅衬底也具有较高的要求，硅衬底需要经过切
、
磨
、
抛等工艺精细加工而成，外延生长前又需要对硅衬底进行严格的清洗
、
烘干，但硅衬底的表面上仍会残存有缺陷
、
污染物及氧化物，还需要进行化学刻蚀
。
气相外延工艺步骤大致为：硅单晶
、
定向
、
切割
、
磨平
、
抛光
、
清洗
、
烘干
、
置于基座上
、
抽真空后通氢气
、
加热去除氧化层
、
通刻蚀剂原位刻蚀
、
通氢气排出刻蚀剂
、
通硅源和氢气
、
加热反应
、
断硅源停止反应，冷却取出制品
。
其中，通氢气去除硅衬底刻蚀剂，去除杂质是否彻底，也会对硅外延生长产生较大影响
。
[0005]目前，气相外延使用的喷嘴一般分为单一喷嘴和隔离分流喷嘴；单一喷嘴是指一个喷嘴只能喷射一种气体，在外延生长反应炉中需要安装多个喷嘴，以实现不同气体的同时喷入，如
CN201915143U
公开来的用于化学气相沉积设备的喷头，只能喷射一种气体
。
单一喷嘴存在安装数量多，安装口多，对外延生长反应炉气密性存在影响，且单一喷嘴流场分布不均匀
。
[0006]分流喷嘴是一个喷嘴能够隔离并喷射多种气体，如
CN103103501B
公开的一种材料气相外延用扇形喷头结构，采用扇形进行气体隔离分流
。
相比于单一喷嘴，安装一个隔离分流喷嘴就能够实现不同气体的同时喷入，对外延生长反应炉的气密性好，且同心圆隔离分流喷嘴喷射气体的流场分布较好
。
[0007]但，无论是采用单一喷嘴喷射气体，还是采用隔离分流喷嘴喷射气体，在实际使用过程中都仍然存在气相分解难以及时控制，以及去除刻蚀剂，去除杂质难以彻底的问题，影
响硅外延生长质量，甚至终止生长，合格率不高
。

技术实现思路

[0008]针对现有半导体气相外延用喷嘴存在的气相分解难以及时控制，去除刻蚀剂，去除杂质难以彻底等问题
。
本专利技术提供一种半导体气相外延用石英喷嘴及其制备和使用方法，设计喷嘴结构为同心圆三环通道喷嘴，通过一个喷嘴能够同时进行不同气体的分级注入；一个喷嘴安装口能够提高外延反应炉的气密性，防止漏气产生外延缺陷
。
喷气孔设计斜度，改变不同气体的喷入路径，使气体快速混合，提高反应或热解效率
。
通道的隔层之间注入有隔热液，一方面提高喷嘴使用寿命，另一方面隔离层设计适用于多种不同温度的气体喷入，互不干扰，尤其是防止硅源气体在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末状硅使喷嘴无法使用或外延无法进行
。
设计内通道突出，且贴近晶圆，进行横向角度喷射冷氢气，进行除杂除气更加彻底，保证晶体生长质量；以及能够快速及时控制反应温度或阻隔反应，保证生长质量；反应后冷却速度快，节省工艺时间，提高生产效率
。
其具体技术方案如下：一种半导体气相外延用石英喷嘴，喷嘴为同心圆三环通道喷嘴，从内至外依次为内通道
、
中通道和外通道；中通道和外通道的底端共同熔接一个圆环形的分布板，内通道的底端熔接有圆盘形或半球形的底分布板；内通道底端突出于中通道和外通道底端，即底分布板的水平位置低于分布板；底分布板的侧面至顶面钻有若干个倾斜的喷气孔Ⅰ；分布板对应于中通道的部位钻有若干个喷气孔Ⅱ，分布板对应于外通道的部位钻有若干个喷气孔Ⅲ。
[0009]上述技术方案中，底分布板和分布板为石英材质，圆盘形的底分布板的厚度为
10mm
以上，或着半球形的底分布板的直径等于内通道的管外径，分布板的厚度为
5mm
以上；底分布板底面与分布板底面距离为
25mm
～
50mm
；喷气孔Ⅱ为从上至下向外倾斜的斜孔，垂直斜度为
20
°
～
30
°
；喷气孔Ⅲ为从上至下向内倾斜的斜孔，垂直斜度为
30
°
～
40
°
。
[0010]上述技术方案中，内通道的管内径为小于等于
18mm
；内通道的管壁为三层，从内至外依次为内石英管Ⅰ、
隔热层Ⅰ和外石英管Ⅰ；内通道的顶端为开口，并连接有导气管Ⅰ。
[0011]上述技术方案中，中通道的管壁为单层的石英管，中通道的顶端与内通道的顶端平齐，中通道的顶端为封闭，中通道的侧壁上部开设有气道口，并接通有导气管Ⅱ。
[0012]上述技术方案中，外通道管壁为三层，从内至外依次为内石英管Ⅲ、
隔热层Ⅲ和外石英管Ⅲ；外通道的顶端低于中通道的气道口位置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种半导体气相外延用石英喷嘴，其特征在于，喷嘴为同心圆三环通道喷嘴，从内至外依次为内通道（1）
、
中通道（5）和外通道（8）；所述中通道（5）和外通道（8）的底端共同熔接一个圆环形的分布板（
10
），所述内通道（1）的底端熔接有圆盘形或半球形的底分布板（3）；所述内通道（1）底端突出于中通道（5）和外通道（8）底端，即所述底分布板（3）的水平位置低于分布板（
10
）；所述底分布板（3）的侧面至顶面钻有若干个倾斜的喷气孔Ⅰ（4）；所述分布板（
10
）对应于中通道（5）的部位钻有若干个喷气孔Ⅱ（7），所述分布板（
10
）对应于外通道（8）的部位钻有若干个喷气孔Ⅲ（
11
）
。2.
根据权利要求1所述的一种半导体气相外延用石英喷嘴，其特征在于，所述底分布板（3）和分布板（
10
）为石英材质，圆盘形的底分布板（3）的厚度为
10mm
以上，或着半球形的底分布板（3）的直径等于内通道（1）的管外径，所述分布板（
10
）的厚度为
5mm
以上；所述底分布板（3）底面与分布板（
10
）底面距离为
25mm
～
50mm
；所述喷气孔Ⅱ（7）为从上至下向外倾斜的斜孔，垂直斜度为
20
°
～
30
°
；所述喷气孔Ⅲ（
11
）为从上至下向内倾斜的斜孔，垂直斜度为
30
°
～
40
°
。3.
根据权利要求1所述的一种半导体气相外延用石英喷嘴，其特征在于，所述内通道（1）的管内径为小于等于
18mm
；所述内通道（1）的管壁为三层，从内至外依次为内石英管Ⅰ（
1.1
）
、
隔热层Ⅰ（
1.2
）和外石英管Ⅰ（
1.3
）；所述内通道（1）的顶端为开口，并连接有导气管Ⅰ（2）
。4.
根据权利要求3所述的一种半导体气相外延用石英喷嘴，其特征在于，所述中通道（5）的管壁为单层的石英管（
5.1
），所述中通道（5）的顶端与内通道（1）的顶端平齐，中通道（5）的顶端为封闭，所述中通道（5）的侧壁上部开设有气道口，并接通有导气管Ⅱ（6）
。5.
根据权利要求4所述的一种半导体气相外延用石英喷嘴，其特征在于，所述外通道（8）管壁为三层，从内至外依次为内石英管Ⅲ（
8.1
）
、
隔热层Ⅲ（
8.2
）和外石英管Ⅲ（
8.3
）；所述外通道（8）的顶端低于中通道（5）的气道口位置，外通道（8）的顶端为封闭，所述外通道（8）的侧壁上部开设有气道口，并接通有导气管Ⅲ（9）
。6.
根据权利要求5所述的一种半导体气相外延用石英喷嘴，其特征在于，所述外通道（8）分隔为两个腔室，一个腔室的侧壁上部开设有气道口，并接通有导气管Ⅲ（9），另一个腔室的侧壁上部开设有气道口，并接通有导气管Ⅳ（
9.1
）
。7.
根据权利要求5所述的一种半导体气相外延用石英喷嘴，其特征在于，所述隔热层Ⅰ（
1.2
）和隔热层Ⅲ（
8.2
）中注入有纳米
ATO
隔热液
。8.
权利要求1‑
权利要求7中任意一项权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李光华，
申请(专利权)人：凯德芯贝沈阳石英有限公司，
类型：发明
国别省市：